Josep’s Blog

Una pregunta aparentment senzilla pot tenir una complicada resposta.
Per exemple, si ens preguntem: d’on surten els àtoms que formen els nostres cossos? Han existit sempre?, la resposta ens remuntaria… al Big Bang.

I de fet, el calci de les nostres dents, el ferro dels nostres hematies, el carboni, nitrogen i oxigene dels diferents teixits i cèl·lules que formen els nostres organismes no existien al començament de l’univers.

En els tres primers minuts després del Big Bang es van formar els primers àtoms d’hidrogen, heli i petites traces de deuteri i liti (*). Però, aquests quatre elements només són una mínima part dels aproximadament 115 elements coneguts.

700.000 anys més tard van aparèixer els primers estels que inicialment tenien aquesta mateixa composició.

Des de llavors, diversos processos de fusió, anomenats nucleosintesi estel·lar (conjunt de reaccions nuclears que tenen lloc a les estrelles per a fabricar elements més pesats.), han anat generant àtoms cada vegada mes pesats com el calci o el ferro a partir d’elements menys massius. El problema és que les successives reaccions de fusió cada vegada aporten menys energia.

Per damunt del ferro, la fusió nuclear no produeix energia sinó que l’absorbeix. Per a aconseguir elements més pesats es creu que hi ha dos processos principals.

D’una banda, una supernova, és a dir, l’explosió d’un estel. L’enorme energia alliberada és canalitzada, només en part, cap a la formació de nuclis més pesats com àtoms de plata, d’or o d’urani.

D’altra banda, la lenta absorció de neutrons per part alguns àtoms pesats va augmentant fins i tot més el seu número atòmic. És un procés lent que dura milers d’anys i que complementa a l’anterior.

La suma d’ambdós mètodes ens ha proporcionat tot el que veiem i, sobretot, els elements essencials per a la vida com el coure, el zinc o el iode.

Així doncs, el pols dels estels ens ha donat la vida.

(*)

El Premi Nobel de Física de 1979 i professor de la Universitat de Harvard Steven Weinberg explica en uns quants “fotogrames” l’evolució dels tres primers minuts de l’univers, després del Big Bang.

Primer fotograma
Quan tans sols ha transcorregut una centèsima de segon i la temperatura s’ha refredat fins a uns cent mil milions de graus Kelvin o absoluts (el zero està sobre els -273 ºC), l’univers està ple d’una sopa indiferenciada de matèria i radiació, en estat de quasi perfecte equilibri tèrmic. Les partícules que més abunden són l’electró i la seva antipartícula, el positró, fotons, neutrins i antineutrins. L’univers és tan dens que fins i tot els fugissers neutrins, que a penes interactuen amb la matèria, es mantenen en equilibri tèrmic amb la resta de la matèria i radiació degut a les seves ràpides col·lisions. La densitat de la massa-energia en aquest moment és de l’ordre de 3,8 mil milions de vegades la densitat de l’aigua en condicions terrestres normals. El temps característic d’expansió de l’univers és de 0,02 segons i el nombre de partícules nuclears (protons i neutrons) és de l’ordre d’un nucleó per 1000 milions de fotons, electrons o neutrins. Les reaccions més importants són: (a) Un antineutrí més un protó donen un positró més un neutró i viceversa. (b) Un neutrí més un neutró donen un electró més un protó i al inrevés.

Segon fotograma
La temperatura ara és de 30.000 milions de graus Kelvin i des del primer fotograma han passat 0,11 segons. Res ha canviat qualitativament, encara que la densitat de l’energia ha disminuït amb la quarta potència de la temperatura i el ritme d’expansió ha disminuït amb el seu quadrat. El temps característic d’expansió és ara de 0,2 segons i les partícules nuclears encara no es troben lligades a nuclis, encara que amb la caiguda de la temperatura és ara més fàcil que els neutrons, més pesats, es convertisquen en protons que al inrevés. El seu balanç és del 38% de neutrons pel 62% de protons.

Tercer fotograma
La temperatura de l’univers és de 10.000 milions de graus Kelvin. Des del primer fotograma han passat 1,09 segons i la densitat i la temperatura han augmentat el temps lliure mitjà dels neutrins i antineutrins que comencen a desacoblar-se de la radiació, electrons i positrons i a comportar-se com a partícules lliures. La densitat total de l’energia és menor que en el fotograma anterior en la quarta potència de la raó de les temperatures, per la qual cosa ve a ser unes 380.000 vegades major que la de l’aigua. El temps característic d’expansió és ara d’uns 2 segons i els positrons i electrons comencen a anihilar-se amb més rapidesa de què poden ser recreats a partir de la radiació. Encara no es poden formar nuclis estables, i la proporció neutró-protó és ara 24-76 %.

Quart fotograma
La temperatura és ara de 3.000 milions de graus Kelvin, han passat 13,82 segons del primer fotograma i els electrons i positrons comencen a desaparèixer com a components destacats de l’univers. L’univers està prou fred perquè es formin diversos nuclis estables, com l’heli comú format per dos protons i dos neutrons (He4). Els neutrons encara es converteixen en protons, encara que més lentament. La proporció de nucleons és ara del 17% de neutrons i del 83% de protons.

Cinquè fotograma
La temperatura és de 1.000 milions de graus, només 70 vegades més calent que el Sol. Des de la primera imatge han passat tres minuts i dos segons. Els electrons i positrons han desaparegut majoritàriament, i els principals components de l’univers són ara fotons, neutrins i antineutrins. Ara l’univers està prou fred perquè es mantinguen units els nuclis del triti i heli tres, així com els de l’heli ordinari, però no es poden formar, encara, quantitats apreciables de nuclis més pesats. El balanç neutró-protó és ara del 14-86 %.

Un mica més tard
Als tres minuts i quaranta-sis segons del primer fotograma, la temperatura és de 900 milions de graus Kelvin i comença la nucleosíntesi, la proporció en pes d’heli és ja el doble de la proporció de neutrons entre les partícules nuclears, és a dir de l’ordre del 26%. Als 34 minuts i quaranta segons del primer fotograma (300 milions de graus) els processos nuclears s’han parat i les partícules nuclears estan ara majoritàriament lligades a nuclis d’heli o són protons lliures. Hi ha un electró per cada protó lliure o lligat, però la temperatura és encara alta perquè formen àtoms estables.

Durant 700.000 anys més
L’univers seguirà expandint-se i refredant-se, però no passarà res d’interès. Després podran formar-se nuclis i àtoms estables i la falta d’electrons lliures farà que el contingut de l’univers sigui transparent a la radiació. El desacoblament de la matèria i la radiació permetrà a la matèria començar a crear galàxies i estrelles.

“Després d’altres 10.000 milions d’anys, aproximadament, els sers vius començaran a reconstruir aquesta història“.

Les fases abandonades dels coets que van propulsar quatre naus espacials cap als límits del nostre Sistema Solar i més enllà probablement porten bacteris terrestres cap a la galàxia.

Les quatre fases superiors dels coets “STAR”, també coneguts com a motors ràpids són els responsables d’arrancar a les Voyager 1, Voyager 2 i Pioneer 10 dels límits del Sistema Solar, així com d’enviar la nau New Horizons de la NASA a Plutó. Les fases del coet estan en camí, movent-se més enllà de la influència del Sol a l’espai interestelar.

Encara que els seus papers van ser vitals per a les seves respectives missions, les fases superiors no van tenir un tracte tan generós com les naus a què acompanyaven.

“Les fases superiors no requerien d’esterilització“, va dir John Rummel, astrobiòleg de la NASA. Només hi havia una directiva principal: “Els seus requisits eren no xocar contra cap dels planetes del nostre Sistema Solar”, una precaució necessària pel fet que les fases dels coets quasi amb seguretat farien d’amfitrions a bacteris terrestres.

Aquests bacteris haurien estat col·locades per les mans i l’alè dels enginyers que van construir les fases superiors.

Sobreviure en l’espai

Els viatgers interestel·lars microscòpics estan ara en camí cap a l’exterior del nostre Sistema Solar a velocitats d’entre 11 i 18 quilòmetres per segon, però són vives?

“La supervivència és més probable que la “prosperitat”’”, va dir Mark Burchell de la Universitat de Kent al Regne Unit. Les fredes temperatures probablement submergirien als microbis en un estat semblant a la hivernació anomenat “espora”.

Hi ha bacteris que han reviscut a la Terra després de milions d’anys de letargia i els experiments que involucren l’exposició de bacteris i líquens a l’espai han revelat el resistents que són aquests simples organismes.

Llavors, quant de temps pot sobreviure un microbi en l’espai enganxat en un coet? “Això encara s’està debatent”, va dir Burchell. “1000 anys? 100 000 anys? No ho sabem”.

Els cinturons de radiació podrien haver esterilitzat els bacteris quan les fases superiors van arribar Júpiter. La fase superior de la Pioneer 10 va passar prop del planeta gegant i va patir uns nivells de radiació moltes vegades superiors a què serien letals per als humans quan es va submergir als cinturons de radiació de Júpiter. Però tal vegada alguns hagin sobreviscut.

“Alguns bacteris són prou més durs que els humans, per la qual cosa probablement no hagi estat suficient per a acabar amb els bacteris protegits a l’interior de la fase superior”, va dir Rummel.

Poques possibilitats

La fase superior del Voyager 1 ha estat a l’espai durant quasi 30 anys. La seva diminuta càrrega té molts milers de milions d’anys de viatge per davant.

En 40 000 anys, aquest capritxós tros de metall de 84 quilograms passarà per l’estrella AC+79 3888 a una distància d’1,64 anys llum.

AC+79 3888 és una estrella nana i la seva feble energia és improbable que serveixi per a reviure als bacteris dorments. Ha de passar molt més temps perquè les fases superiors trobin una estrella amb un entorn apropiat per als organismes terrestres.

“Sortir del Sistema Solar no és en realitat el problema”, va dir Burchell. “El problema és que llavors entris en un altre sistema solar i siguis capturat per un planeta. Les opcions d’això són remotament petites”.

Donada l’enorme quantitat de temps que els queda per davant a aquests quatre coets descartats, almenys un és possible que finalment trobi un planeta. Però fins i tot si l’entorn d’aquest planeta és propici per a la vida, els bacteris no xapotejaran suaument en algun oceà exòtic. No els espera un aterratge suau.

“Arribar a un altre sistema solar és una cosa, però aterrar-hi d’una forma no destructiva és una altra molt diferent”, va dir Rummel.

El telescopi espacial Hubble ha enviat la imatge d’un anell fantasmal entorn d’un grum de galàxies, que els astrònoms han descrit com la primera prova de l’existència de la matèria fosca.

El grum galàctic captat pel telescopi que orbita des de 1990 a les vores exteriors de l’atmosfera terrestre, a quasi 600 quilòmetres sobre el nivell del mar, es troba a 5.000 milions d’anys llum de la Terra.

«Encara que s’ha trobat la matèria invisible abans en altres conjunts de galàxies, mai se l’havia detectat tan separada del gas calent i de les galàxies que formen el conjunt», ha comentat Myungkook James Jee, de la Universitat Johns Hopkins de Baltimore (Maryland, EE.UU.).

La matèria fosca, segons creuen els científics, compon la major part de la massa que exerceix gravetat a l’Univers, mentre que només el 10 per cent d’aquesta pot ser detectada pels sentits humans.

Els científics sostenen que si no existís la matèria fosca les galàxies com la Via Làctia, en la qual es troba la Terra, s’haurien dispersat per falta de massa gravitacional.

«Aquesta és la primera vegada que hem detectat la matèria fosca com una estructura única diferent del gas i les galàxies en el conjunt» identificat com ZwCi0024+1652, va assenyalar Jee.

Però Richard Massey, de l’Institut de Tecnologia de Califòrnia, amb seu a Pasadena, va expressar un cert escepticisme sobre el descobriment i va recordar que «aquest mateix grup de galàxies s’ha esmentat en altres notícies molt difoses».

«Necessitem una confirmació, més observacions», va afegir Massey. «I, lamentablement, aquestes imatges es van prendre just poc abans que es fes malbé la càmera del Hubble que les va prendre». L’agència nord-americana NASA ha posat en Internet algunes imatges compostes que mostren un grum de galàxies, embolicat en un núvol de gasos, entorn del qual s’estén un anell fosc d’uns 2,6 milions d’anys llum de diàmetre.

Més enllà d’aquest anell, de suposada matèria fosca, continua la lluminositat d’aqueixa regió de l’espai. «L’observació d’una estructura de matèria fosca que no està marcada per galàxies i gas calent ens permet l’estudi de com el seu comportament és diferent del de la matèria normal», va comentar Jee.

Durant l’anàlisi de matèria fosca de les imatges enviades pel Hubble, els astrònoms van notar una ona semblant a les onades que causa en un estany la caiguda d’una pedra a l’aigua.

L’observació de la matèria fosca és difícil perquè no emet ni reflecteix llum, i els astrònoms només poden detectar la seva influència per la manera en què la seva força de gravetat afecta la llum.

Per a trobar-la, estudien la forma en què la llum de les galàxies molt distants és distorsionada i difuminada en arcs i bandes per la gravetat de la matèria fosca d’una galàxia més pròxima.

Aquesta matèria està composta per àtoms molt diferents dels que componen la matèria normal de les estrelles i galàxies.

Els científics creuen que l’encreuament a través de la matèria invisible passaria inadvertit per als humans, però que no succeeix el mateix en la col·lisió de dues àrees de massa fosca.